Частотомер на arduino

О приборе

Частотомер — полезный прибор в лаборатории радиолюбителя (особенно, при отсутствии осциллографа).
Кроме частотомера лично мне часто недоставало тестера кварцевых резонаторов — слишком много стало приходить брака из Китая. Не раз случалось такое,
что собираешь устройство, программируешь микроконтроллер, записываешь фьюзы, чтобы он тактировался от внешнего кварца и всё — после записи фьюзов
программатор перестаёт видеть МК. Причина — «битый» кварц, реже — «глючный» микроконтроллер (или заботливо перемаркированый китайцами с добавлением,
например, буквы “А» на конце). И таких неисправных кварцев мне попадалось до 5% из партии.
Кстати, достаточно известный китайский набор частотомера с тестером кварцев на PIC-микроконтроллере и светодиодном дисплее с Алиэкспресса мне
категорически не понравился, т.к. часто вместо частоты показывал то ли погоду в Зимбабве, то ли частоты «неинтересных» гармоник
(ну или это мне не повезло).

Прибор имеет 9 режимов измерения:

Измерение частоты с предделителем на 16, время измерения — 0.25 сек, результат в Гц.
Измерение частоты без предделителя, время измерения — 0.25 сек, результат в Гц.
Измерение периода следования импульсов и вычисление частоты на его основе, результат в 0.01 Гц.
Изменение циклов в минуту (без предделителя), вычисляемых по измеренному периоду, результат в rpm.
Измерение длительности полного цикла, результат в микросекундах.
Измерение длительности высокого полупериода, результат в микросекундах.
Измерение длительности низкого полупериода, результат в микросекундах .
Длительность высокого полупериода в процентах.
Длительность низкого полупериода в процентах.

Аналоговые стрелочные частотомеры

Аналоговые частотомеры по применяемому измерительному механизму бывают электромагнитной, электродинамической и магнитоэлектрической систем. В основе работы их лежит использование частотозависимой цепи, модуль полного сопротивления которой зависит от частоты. Измерительным механизмом, как правило, является логометр, на одно плечо которого подается измеряемый сигнал через частотонезависимую цепь, а на другое — через частотозависимую, ротор логометра со стрелкой в результате взаимодействия магнитных потоков устанавливается в положение, зависящее от соотношений токов в обмотках. Бывают аналоговые частотомеры работающие по другим принципам.

НАЗНАЧЕНИЕ: контроль сети электропитания
ПРИМЕРЫ: Д416, Э353, Ц1736, М800, С 300 М1-1

Что чем меряют, какие частотомеры, для чего?

С помощью резонансных частотомеров, вкупе с преобразователями механических колебаний в электрические, обычно измеряется частота механических колебаний.

Посредством электромеханических, электродинамических, электронных, электромагнитных, магнитоэлектрических частотомеров измеряется частота электрических колебаний.

Посредством электронных частотомеров (резонансные, гетеродинные, цифровые и др.) измеряется частота электромагнитных колебаний в диапазоне радиочастот и СВЧ.

В основе действия резонансного частотомера – сравнение частоты, измеряемой с частотой собственных колебаний электрического контура (либо резонатора СВЧ), который настраивается в резонанс с измеряемой частотой. В частотомерах гетеродинных производится сравнение измеряемой величины с известной частотой (либо ее гармониками) гетеродина (образцового генератора). Принцип действия цифровых частотомеров – в подсчете за определенный промежуток времени числа периодов измеряемых колебаний.

При добавлении к электронно-счетному частотомеру соответствующих приставок возможно измерение практически любых электрических величин (напряжения, тока, сопротивления, емкости, индуктивности и др.).

Нормативно-техническая документация

ГОСТ 8.567-99 ГСИ. Измерения времени и частоты. Термины и определения
ГОСТ 7590-93 Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 4. Особые требования к частотомерам
ГОСТ 7590-78 Приборы электроизмерительные для измерения частоты аналоговые показывающие. Общие технические условия
ГОСТ 22335-85 Частотомеры электронно-счетные. Технические требования, методы испытаний
ГОСТ 22261-94 Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия
ГОСТ 8.422-81 ГСИ. Частотомеры. Методы и средства поверки
ГОСТ 12692-67 Измерители частоты резонансные. Методы и средства поверки
ОСТ 11-272.000-80 Частотомеры резонансные. Основные параметры
МИ 1835-88 Частотомеры электронно-счетные. Методика поверки

Что чем меряют, какие частотомеры, для чего?

Электронно-счётные частотомеры

Принцип действия электронно-счетных частотомеров (ЭСЧ) основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени. Интервал времени измерения также задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора ЭСЧ или из внешнего источника (например стандарта частоты). Таким образом ЭСЧ является прибором сравнения, точность измерения которого зависит от точности эталонной частоты.
ЭСЧ является наиболее распространенным видом частотомеров благодаря своей универсальности, широкому диапазону частот (от долей герца до десятков мегагерц) и высокой точности. Для повышения диапазона до сотен мегагерц — десятков гигагерц используются дополнительные блоки — делители частоты и переносчики частоты.
Большинство ЭСЧ кроме частоты позволяют измерять период следования импульсов, интервалы времени между импульсами, отношения двух частот, а также могут использоваться в качестве счетчиков количества импульсов.
Некоторые ЭСЧ (например Ч3-64) сочетают в себе электронно-счетный и гетеродинный методы измерения. Это не только расширяет диапазон измерения, но и позволяет определять несущую частоту импульсно-модулированных сигналов, что простым методом счета недоступно.
НАЗНАЧЕНИЕ: обслуживание, регулировка и диагностика радиоэлектронного оборудования различного назначения, контроль работы радиосистем и технологических процессов
ПРИМЕРЫ: Ч3-33, Ч3-54, Ч3-57, Ч3-63, Ч3-64, Ч3-67, Ч3-84

Конденсаторные частотомеры

Электронные конденсаторные частотомеры применяются для измерения частот в диапазоне от 10Гц до 1МГц. Принцип таких частотомеров основывается на попеременном заряде конденсаторов от батареи с последующим его разрядом через магнитоэлектрический механизм. Этот процесс осуществляется с частотой, равной измеряемой частоте, поскольку переключение производится под воздействием самого исследуемого напряжения. За время одного цикла через магнитоэлектрический механизм будет протекать заряд Q =CU, следовательно, средний ток, протекающий через индикатор, будет равен I_ср=Qf_x=CUf_x. Таким образом, показания магнитоэлектрического амперметра оказывается пропорциональны измеряемой частоте. Основная приведенная погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2-3%.

НАЗНАЧЕНИЕ: настройка и обслуживание низкочастотной аппаратуры
ПРИМЕРЫ: Ф5043

Модеонизация универсальной цифровой шкалы (частотомера)

Рейтинг: / 5

Подробности: Категория: Частотомеры; Опубликовано: 17.03.2017 15:47; Просмотров: 2718

Цифровая шкала, подробное описание которой приведено в , обладает многими неоспоримыми преимуществами: универсальностью применения, возможностью работы в нескольких режимах счета частот с трех входов и малым потреблением энергии. Можно еще более расширить эти возможности, если применить для отображения цифровой информации жидкокристаллический индикатор (ЖКИ). В целях компромисса авторами было выбрано повышенное относительно микросхем напряжение питания +15 В для достижения приемлемой яркости люминесцентных индикаторов. Для работы ЖКИ напряжение питания можно снизить до +5 В и не только уменьшить почти в 10 раз мощность потребления (не включая в расчет цепей накала индикаторов ИВ-6), но и согласовать по уровням сигналов микросхемы ТТЛШ и КМОП.

Осциллографические методы измерения частоты

Частота может измеряться как величина, обратная периоду сигнала

Осциллографический метод (метод фигур Лиссажу)

Сигналы измеряемой частоты fx и образцовой частоты f0 подаются на каналы У и Х соответственно. Изменением образцовой частоты добиваются появления на экране неподвижной фигуры.

Для определения fx проводят горизонтальную и вертикальную касательные к фигуре и подсчитывают число касаний n с горизонталью и вертикалью. Соотношение частот определяется как отношение количества касаний с вертикалью к количеству касаний с горизонталью f0/fx=nB/nг.

Осциллографические методы относятся к лабораторным методам измерения частоты.

Их погрешность составляет 1,5-2,0 %.

Классификация частотомеров

Частотомеры подразделяются в зависимости от следующих параметров:

По методу измерения:

частотомеры непосредственной оценки (к примеру, аналоговые)
частотомеры сравнения (гетеродинные, резонансные, электронно-счетные)

По физическому смыслу измеряемой величины,частотомеры предназначены:

для измерения синусоидальных колебаний (аналоговые)
измерения частот гармонических составляющих (резонансные, гетеродинные, вибрационные)
для измерения дискретных событий (конденсаторные, электронно-счетные)

По области применения:

электроизмерительные (частотомеры аналоговые стрелочные, резонансные, а также частично – частотомеры конденсаторные и электронно-счетные)
радиоизмерительные (частотомеры гетеродинные, резонансные, конденсаторные, электронно-счетные)

Электронно-счётные частотомеры

Принцип действия электронно-счетных частотомеров (ЭСЧ) основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени. Интервал времени измерения также задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора ЭСЧ или из внешнего источника (например стандарта частоты). Таким образом ЭСЧ является прибором сравнения, точность измерения которого зависит от точности эталонной частоты.
ЭСЧ является наиболее распространенным видом частотомеров благодаря своей универсальности, широкому диапазону частот (от долей герца до десятков мегагерц) и высокой точности. Для повышения диапазона до сотен мегагерц — десятков гигагерц используются дополнительные блоки — делители частоты и переносчики частоты.
Большинство ЭСЧ кроме частоты позволяют измерять период следования импульсов, интервалы времени между импульсами, отношения двух частот, а также могут использоваться в качестве счетчиков количества импульсов.
Некоторые ЭСЧ (например Ч3-64) сочетают в себе электронно-счетный и гетеродинный методы измерения. Это не только расширяет диапазон измерения, но и позволяет определять несущую частоту импульсно-модулированных сигналов, что простым методом счета недоступно.
НАЗНАЧЕНИЕ: обслуживание, регулировка и диагностика радиоэлектронного оборудования различного назначения, контроль работы радиосистем и технологических процессов
ПРИМЕРЫ: Ч3-33, Ч3-54, Ч3-57, Ч3-63, Ч3-64, Ч3-67, Ч3-84

Частотомер на микроконтроллере PIC16F84 | joyta.ru

Здесь приведена схема простого частотомера на микроконтроллере. Он собственно состоит из самого микроконтроллера DD2 PIC16F84 и делителя частоты на 10 выполненного на счетчике DD1 на 10. Выбор необходимого диапазона осуществляется сдвоенным переключателем SA1.

При верхнем расположении переключателя, входной сигнал меняет делитель и сразу поступает на вход микроконтроллера. Это позволяет осуществлять замер частоты до 50 МГц.

Частотомер на микроконтроллере — описание работы

На дисплее отражается фактическая частота. Если же переключатель перевести в нижнее по схеме то измеряемый сигнал попадает на вход микроконтроллера, пройдя через высокоскоростной делитель на 10. Это увеличивает диапазон измерения частоты до 500 МГц.

Нужно обратить внимание, что показания в этом случае необходимо умножить на 10. Микропроцессор подключен к внешнему резонатору на 10 МГц

В качестве индикатора подойдет однострочный десятиразрядный LCD индикатор.

Для регулировки контрастности индикатора предназначен подстроечный резистор R4. Частотомер запитан от стабилизированного блока питания на 5 вольт. При желании устройство можно питать и от гальванических элементов. В этом случае рекомендуется применить переключатель SA1 на три положения. Треть положение необходимо для отключения питания микросхемы DD1 в режиме работы без делителя, поскольку данный счетчик потребляет довольно большой ток.

Скачать прошивку (1,0 Mb, скачано: 1 757)

Что чем меряют, какие частотомеры, для чего?

Электронно-счетные частотомеры ( электронные частотометры , цифровые частотометры )

В основу их работы положен метод дискретного счета.

Рис. 1. Структурная схема цифрового частотомера

Структурная схема частотомера показана на рисунке 130. Его основные элементы: формирователь импульсного напряжения сигнала fх измеряемой частоты, генератор образцовой (эталонной) частоты, электронный ключ, счетчик импульсов с блоком цифровой индикации и управляющее устройство, организующее работу прибора. Принцип его действия основан на измерении числа импульсов, поступающих на вход счетчика в течение строго определенного времени, равного в данном приборе 1 с. Этот необходимый измерительный интервал времени формируется в блоке управления.

Сигнал fх, частоту которого надо измерить, подают на вход формирователя импульсного напряжения. Здесь он преобразуется в импульсы прямоугольной формы, частота следования которых соответствует частоте входного сигнала. Далее преобразованный сигнал поступает на один из входов электронного ключа, А на второй вход ключа подается сигнал измерительного интервала времени, удерживающий его в открытом состоянии в течение 1с.

В результате на выходе электронного ключа, а значит, и на входе счетчика появляется пачка импульсов. Логическое состояние счетчика, в котором он оказывается после закрывания ключа, отображает блок цифровой индикации в течение интервала времени, устанавливаемого устройством управления.

Принцип действия электронно-счетных частотомеров (ЭСЧ) основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени. Интервал времени измерения также задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора ЭСЧ или из внешнего источника (например стандарта частоты). Таким образом ЭСЧ является прибором сравнения, точность измерения которого зависит от точности эталонной частоты.

ЭСЧ является наиболее распространенным видом частотомеров благодаря своей универсальности, широкому диапазону частот (от долей герца до десятков мегагерц) и высокой точности. Для повышения диапазона до сотен мегагерц — десятков гигагерц используются дополнительные блоки — делители частоты и переносчики частоты.

Большинство ЭСЧ кроме частоты позволяют измерять период следования импульсов, интервалы времени между импульсами, отношения двух частот, а также могут использоваться в качестве счетчиков количества импульсов.

Некоторые ЭСЧ (например Ч3-64) сочетают в себе электронно-счетный и гетеродинный методы измерения. Это не только расширяет диапазон измерения, но и позволяет определять несущую частоту импульсно-модулированных сигналов, что простым методом счета недоступно.

НАЗНАЧЕНИЕ: обслуживание, регулировка и диагностика радиоэлектронного оборудования различного назначения, контроль работы радиосистем и технологических процессов

Достоинства

Высокая точность измерений (погрешность 10-6…10-9);
успешное использование на низких и высоких частотах;
субъективная ошибка оператора исключена;
возможность вывода данных на ПК;
возможность измерения не только частоты, но и длительности импульсов, соотношения частот, периода сигнала.

ПРИМЕРЫ: Ч3-33, Ч3-54, Ч3-57, Ч3-63, Ч3-64, Ч3-67, Ч3-84

Приборы для измерения сопротивления

Для измерения активного сопротивления электрических машин широко применяются мосты постоянного тока.

Одинарные мосты постоянного тока

Одинарными мостами постоянного тока принято называть четырехплечие мосты с питанием от источника постоянного тока. Известен ряд конструкций этих приборов с различными характеристиками. Погрешность моста зависит от пределов измерения.

При измерении малых сопротивлений на результат измерения значительное влияние оказывают сопротивления контактов и соединительных проводов, суммируемые с измеряемым сопротивлением. Для уменьшения этого влияния используют специальное четырехзажимное присоединение. В настоящее время выпускается одинарный мост типа Р369 (МО-4), обеспечивающий измерение сопротивления от 10+4 до 1,11111 · 10+10 Ом на постоянном токе при четырехзажимном подключении, с классами точности от 1,0 до 0,005 в зависимости от выбранного диапазона измерений и диапазоном рабочих температур 10—35 °С. Мост имеет автономную поверку.

Двойные мосты для измерения малых сопротивлений

С целью расширения пределов измерения в промышленных приборах двойные мосты совмещаются с одинарными, обеспечивая широкие пределы измерений. Выпускаемый промышленностью одинарно-двойной мост типа Р3009 предназначен для измерения электрического сопротивления в пределах от 10-8 до 1,11111 · 10+10 Ом на постоянном токе, с классом точности для одинарного моста 0,02, а для двойного моста от 0,01 до 2,0 в зависимости от схемы измерения и диапазоном рабочих температур 10—35 °С.

Таблица 1.5

Для измерения индуктивности обмоток ЭМ применяются мосты переменного тока. В большинстве случаев мосты переменного тока делаются универсальными, т. е. позволяют кроме индуктивности измерять емкость, добротность катушек индуктивности, тангенс угла диэлектрических потерь и сопротивление. К таким приборам, например, относится мост переменного тока типа Р571, имеющий класс точности 0,1. Основные технические характеристики моста при измерении индуктивности приведены в табл. 1.5. Остальные характеристики при измерениях по другим параметрам, а также технические данные аналогичных приборов приводятся в справочной литературе. Для измерения сопротивления изоляции выпускаются мегаомметры типов М4100/1—М4100/5. Приборы предназначены для измерения изоляции электрических цепей, не находящихся под напряжением. Класс точности приборов 1. Диапазоны измерения от 0 до 1000 МОм. Выходное напряжение в соответствии с индексами типов приборов 1, 2, . . ., 5 составляет 100, 250, 500, 1000 и 2500 В. Питание приборов типа М4100 осуществляется от встроенного генератора с ручным приводом.

Это интересно: Сварка проводов в распределительной коробке своими руками: рассказываем по порядку

Какие приборы можно использовать

Классификация частотомеров

Все данные приборы делятся на две основные группы по области их применения:

Электроизмерительные. Применяются для бытового или же производственного измерения частоты в цепях переменного тока. Их используют при частотной регулировке оборотов асинхронных двигателей, так как вид частотного измерения оборотов, в этом случае, самый эффективный и распространённый.
Радиоизмерительные. Нашли применение исключительно в радиотехнике и могут измерять широкий диапазон высокочастотного напряжения.

По конструкции частотомеры делятся на щитовые, стационарные и переносные. Естественно, переносные более компактные, универсальные и мобильные устройства, которые широко применяются радиолюбителями.

Для любого типа частотомера самыми важными характеристиками, на которые, в принципе, и должен обращать внимание человек при покупке, являются:

Диапазон частот, которые прибор сможет измерить. При планировании работы именно со стандартной промышленной величиной 50 Гц, нужно внимательно ознакомиться с инструкцией, так как не все приборы её смогут увидеть.
Рабочее напряжение в цепях, в которых будут проходить измерительные работы.
Чувствительность, эта величина более важна для радиочастотных устройств.
Погрешность, с которой он может производить замеры.

Мультиметр с функцией измерения частоты переменного тока

Самый распространенный прибор, с помощью которого можно узнать величину частотных колебаний и который находится в свободном широком доступе — это мультиметр

Нужно обращать своё внимание на его функциональные возможности, так как не каждый такой прибор сможет измерить частоту переменного тока в розетке или же другой электрической цепи

Такой тестер выполняется чаще всего очень компактным, для того чтобы в сумке он легко помещался, и был максимально функциональным, измеряющим помимо частоты также напряжение, ток, сопротивление, а иногда даже температуру воздуха, ёмкость и индуктивность. Современный вид мультиметра и его схема основаны чисто на цифровых электронных элементах, для более точного измерения. Состоит такой мультиметр из:

Жидкокристаллического информативного индикатора для отображения результатов измерения, расположенного, чаще всего, в верхней части конструкции.
Переключателя, в основном, он выполнен в виде механического элемента, позволяющего быстро перейти от измерения одних величин к другим. Нужно быть очень осторожным, так как, допустим, если измерять напряжение, а переключатель будет стоять на отметке «I», то есть сила тока, тогда следствием этого неминуемо будет короткое замыкание, которое приведёт не только к выходу со строя прибора, но может вызвать и термический ожог дугой рук и лица человека.
Гнезд для щупов. С их помощью непосредственно происходит электрическая связь прибора с измеряемым токопроводящим объектом. Провода не должны иметь потрескиваний и изломов изоляции, особенно это касается их наконечников, которые будут находиться в руках измеряющего.

Хотелось бы также упомянуть о специальных приставках к мультиметру, которые существуют и разработаны специально для того, чтобы увеличить число функций обычного прибора со стандартным набором.

Схема

Исходная схема прибора была доработана следующим образом (схема кликабельна):

Добавлен альтернативный входной формирователь (блок Analog-1), схема найдена на просторах интернета (к сожалению, не смог определить первоисточник).
Имеет вход для проверки кварцевых резонаторов (работает с кварцами от 1МГц до 40МГц). Исходный входной формирователь тоже сохранён (блок Analog-2) и
разведён на печатной плате, но распаять можно только один из этих формирователей.
Переменный резистор выбора режимов заменён на более долговечный энкодер
Питается прибор от USB. На вход добавлены LC-фильтр помех и предохранитель
RS232 и преобразователь MAX232 из схемы убраны, вместо них добавлен разъём для подключения преобразователя USB-UART для связи с ПК (если
захочется управлять прибором с ПК)
Вольтметр 0..5В из исходной схемы также убран, т.к., учитывая обилие дешёвых китайских мультиметров, смысла в нём не видится никакого.

Аналоговый входной сигнал поступает на усилитель, а затем на формирователь на основе триггер Шмитта 74HCT132. Далее, этот сигнал подаётся на вход
микроконтроллера непосредственно, либо через делитель на 16, выполненный на 74HCT93. Делитель этот управляется сигналом от пина PC5: высокий уровень на
пине отключает предделитель, низкий уровень, соответственно, включает деление на 16.

Микроконтроллер подключён по типовой схеме и тактируется от кварцевого резонатора 16 МГц. Кстати, о кварце — его качество (точность, термостабильность)
целиком определяет точность прибора. Т.е., возникает проблема добычи эталонного кварца (ну или точное измерение его частоты с последующим введением
поправки в вычислении). Но об этом чуть позже..

Я не стал разводить на плате разъём ISP-программатора, т.к. микросхема всё равно стоит на панели, а для обновления прошивки можно использовать
загрузчик. Неиспользуемые выводы микроконтроллера разведены так, что в будущем к ним можно было что-нибудь подключить. Например, джампер для
активации того же bootloader-а. Или термодатчик, чтобы в будущем учитывать температурное изменение частоты кварцевого резонатора. Или ещё что-нибудь.
Все выводы от miniUSB-разъёма также разведены на плате. Это сделано для того, чтобы можно было легко установить USB-UART-преобразователь внутри
прибора (если он будет нужен).